JPWO2008114341A1 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート電極材料膜を成膜し、前記ゲート電極材料膜を線状にパタニングし、前記線状のゲート電極材料膜パタンの長辺に沿ってサイドウォールを形成し、その後に、前記直線を所定の箇所で切断して、複数のゲート電極に分断する工程を含む。A method of manufacturing a semiconductor device includes forming a gate electrode material film on a semiconductor substrate, patterning the gate electrode material film in a linear shape, and forming a sidewall along a long side of the linear gate electrode material film pattern. And forming a plurality of gate electrodes by cutting the straight line at a predetermined location.
Description
本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に、MOS型半導体装置の微細化を実現するゲート構造とその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a gate structure for realizing miniaturization of a MOS type semiconductor device and a manufacturing method thereof.
SRAMは、図1に示すように、活性領域18に対して垂直に延びるように、破線状に並んだゲートパタン15を有することを特徴とする。図1の例では、点対称型のセル構造を有し、セル100内に2つの転送トランジスタと、2組のCMOSインバータが点対称に配置されている。
As shown in FIG. 1, the SRAM has a
SRAMを微細化するにあたって、破線の枠Aで示すように、活性領域18からのゲート突き出し量Bをどこまで詰められるか、というのが大きな鍵となる。ここで、図1のSRAMの中の、例えばドライバトランジスタに注目して、現状の課題を説明する。
When miniaturizing the SRAM, as shown by the broken line A, the key is how far the gate protrusion amount B from the
図2は、図1の領域Aの拡大図であり、ゲートエッチングによるゲート先端部の後退を説明するための図である。一般にゲート25の先端部は、実際のゲートエッチング工程により、レジストパタン(ゲートパタン)15から後退する。そのため、レジストパタン形成時のゲート突き出し量Bは、あらかじめゲートエッチングの後退量を見越して充分に確保する必要がある。そうすると、活性領域18間の間隔"d"も、ゲートエッチングによる後退量を見越した数値を確保する必要があり、SRAM素子の微細化の妨げになる。
FIG. 2 is an enlarged view of the region A in FIG. 1 and is a diagram for explaining the receding of the gate tip due to gate etching. Generally, the tip of the
図3は、ゲートエッチング後のゲート先端部の後退と、デバイス不良について説明する図である。ゲート突き出し量B(図1参照)が充分に確保されている場合は、図3(a)に示すように、ソース・ドレインがゲートによって分離されて、良品のトランジスタとなる。ゲート突き出し量が不十分であると、パタニングの際のポリシリコンの露光、エッチングによりゲート先端が後退し、図3(b)あるいは、図3(c)のように、ゲート先端部が活性領域(ソース・ドレイン)と充分に重ならなくなる。特に、図3(c)の場合は、ソース・ドレインがゲートで分離されておらず、ショートしており、デバイスは完全に不良品となる。図3(b)の場合は、ソース・ドレインがゲートおよびサイドウォールで分離されてはいるが、ゲート長が良品の場合(図3(a))と異なるため、デバイス特性が異なり、やはり不良と判断される。 FIG. 3 is a diagram for explaining the receding of the gate tip after gate etching and device defects. When the gate protruding amount B (see FIG. 1) is sufficiently secured, the source and drain are separated by the gate as shown in FIG. If the gate protrusion is insufficient, the gate tip is retracted by polysilicon exposure and etching during patterning, and the gate tip is the active region (see FIG. 3B or 3C). It will not overlap with the source / drain. In particular, in the case of FIG. 3C, the source and drain are not separated by the gate and are short-circuited, and the device is completely defective. In the case of FIG. 3B, the source and drain are separated by the gate and the side wall, but the gate length is different from that of the non-defective product (FIG. 3A). To be judged.
ここでは、セル境界近傍のドライバトランジスタを例にとって説明したが、図1のセル内のトランスファゲートの突き出し量についても、同様の問題が起こり得る。 Here, a driver transistor near the cell boundary has been described as an example, but the same problem can occur with respect to the amount of protrusion of the transfer gate in the cell of FIG.
ゲートエッチングの先端部の後退を抑え、図2の活性領域18間の間隔"d"を詰めてSRAMのセルサイズを低減する手法として、ゲートのダブルパタニングという手法が、最近注目されている(たとえば、非特許文献1参照)。この方法は、図4で示すように、最初に隣り合うゲート同士を繋げた1本の長いゲートパタンを作成し、次にゲート分離用の開口21を有するマスク20を用いてエッチングを行い、ゲートを分離する手法である。この方法ではゲート先端部の後退が起こらないので、図2の活性領域18間の間隔"d"を詰めることができる。
ところが、図4のゲートのダブルパタニングでも問題が発生することを、発明者らは見出した。それは図5(a)に示すように、ゲート分離用マスク20の露光時の位置ずれに起因して、活性領域(ソース・ドレイン領域)のぎりぎりの位置でゲート25が切断された場合、その後に通常のプロセスに従ってデバイスを作成すると、ゲート先端部での電流特性が変わってくるという問題である。
However, the inventors have found that a problem also occurs in the double patterning of the gate of FIG. As shown in FIG. 5A, when the
例えば図5(b)に示すように、ポケット26を形成するための4方向の斜め注入を行い、図5(c)に示すように、エクステンション注入を行ってサイドウォール(SW)27を形成し、ソース・ドレイン17を形成すると、ゲート先端部に沿ったエッジ近傍と、それ以外の領域とでは、イオン注入特性が変わってしまう。そのため、ゲートのエッジに沿った部分での電流特性(矢印bで示す)と、内側での電流特性(矢印aで示す)とに、ばらつきが生じる。
For example, as shown in FIG. 5B, oblique implantation in four directions for forming the
こうして出来上がったデバイスは特性変動を引き起こし、不良要因となる。これを避けるためには、ゲートのダブルパタニングを行う場合でも、ゲート分離用のマスクの露光位置ずれマージンや、注入マージンを考慮して、図2の活性領域18間の間隔"d"を十分に確保する必要がでてくる。
The resulting device causes characteristic fluctuations and becomes a cause of failure. In order to avoid this, even when performing double patterning of the gate, the gap “d” between the
そこで、本発明は、MOS型素子を含むセル構造において、デバイスの動作特性の安定性を維持しつつ微細化を実現することのできるゲート構造と、その製造方法を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gate structure capable of realizing miniaturization while maintaining stability of device operation characteristics in a cell structure including a MOS type element, and a manufacturing method thereof.
上記の課題を解決するために、本発明の第1の側面では、半導体装置は、
(a)半導体基板上に配置される複数のゲート電極パタンと、
(b)前記各ゲート電極の側壁に設けられるサイドウォールスペーサと、
を有し、前記サイドウォールスペーサの厚さは、前記ゲート電極の長辺に沿った側壁において、前記ゲート電極の短辺に沿った側壁よりも厚く構成される、ことを特徴とする。In order to solve the above problems, in a first aspect of the present invention, a semiconductor device includes:
(A) a plurality of gate electrode patterns disposed on the semiconductor substrate;
(B) sidewall spacers provided on the side walls of the gate electrodes;
The sidewall spacer is configured such that a thickness of the sidewall spacer along the long side of the gate electrode is greater than that of the sidewall along the short side of the gate electrode.
ひとつの構成例として、サイドウォールは、前記複数のゲート電極の長辺に沿って、分離することなく連続して位置する。あるいは、前記複数のゲート電極の長辺にのみ形成される構成であってもよい。 As one configuration example, the sidewalls are continuously located without being separated along the long sides of the plurality of gate electrodes. Or the structure formed only in the long side of these gate electrodes may be sufficient.
別の構成例では、複数のゲート電極の短辺に沿った側壁には、第1の膜厚のサイドウォールが設けられ、長辺に沿った側壁には、前記第1の膜厚よりも厚い第2の膜厚を有するサイドウォールが設けられる構造としてもよい。 In another configuration example, a sidewall having a first film thickness is provided on the sidewall along the short side of the plurality of gate electrodes, and the sidewall along the long side is thicker than the first film thickness. A structure in which a sidewall having the second film thickness is provided may be employed.
本発明の第2の側面では、半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、
(a)半導体基板上に、ゲート電極材料膜を成膜し、
(b)前記ゲート電極材料膜を、線状にパタニングし、
(c)前記線状のゲート電極材料膜パタンの長辺に沿ってサイドウォールを形成し、
(d)その後に、前記線状のゲート電極材料膜パタンを所定の箇所で切断して、複数のゲート電極に分断する
工程を含む。In a second aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device is provided. This manufacturing method is
(A) forming a gate electrode material film on the semiconductor substrate;
(B) patterning the gate electrode material film linearly;
(C) forming a sidewall along the long side of the linear gate electrode material film pattern;
(D) After that, the process includes a step of cutting the linear gate electrode material film pattern at a predetermined location and dividing it into a plurality of gate electrodes.
好ましくは、前記サイドウォールを形成した後であって、前記複数のゲート電極に分断する前に、前記半導体基板に不純物を注入してソース・ドレイン領域を形成する工程、をさらに含む。 Preferably, the method further includes a step of implanting impurities into the semiconductor substrate to form source / drain regions after forming the sidewalls and before dividing into the plurality of gate electrodes.
良好な製造例では、ゲート電極の分断工程は、前記線状のゲート電極材料膜パタンと、前記サイドウォールの双方を分断する。あるいは、前記線状のゲート電極材料膜パタンを分断し、前記サイドウォールは、連続した状態で残すこととしてもよい。 In a good manufacturing example, the gate electrode dividing step divides both the linear gate electrode material film pattern and the sidewall. Alternatively, the linear gate electrode material film pattern may be divided and the sidewalls may be left in a continuous state.
好ましくは、前記ゲート電極の分断後に、前記サイドウォールの厚さよりも薄い第2のサイドウォールを、分断したゲート電極の短辺および長辺に沿って形成する工程、をさらに含む。 Preferably, the method further includes a step of forming, after the gate electrode is divided, a second sidewall that is thinner than the sidewall along the short side and the long side of the divided gate electrode.
上述した構成および方法により、ゲート先端直下の基板領域での不純物特性のばらつきを防止するとともに、活性領域間の距離を短縮することができる。 With the above-described configuration and method, it is possible to prevent variations in impurity characteristics in the substrate region immediately below the gate tip and to shorten the distance between the active regions.
その結果、半導体装置のセル構造の微細化が実現するとともに、動作の安定化も達成できる。 As a result, the miniaturization of the cell structure of the semiconductor device can be realized and the operation can be stabilized.
15 ゲートパタン(レジストパタン)
18 活性領域
20 マスク
21 開口
25 ゲート電極
26 ポケット
27 サイドウォールスペーサ
28 ソース・ドレイン
29 薄いサイドウォール
31 シリサイド15 Gate pattern (resist pattern)
18
以下、図面を参照して、本発明の良好な実施の形態について説明する。図6は、本発明の基本概念を説明する図である。ここでは、図1の領域Aにおけるドライバトランジスタを例にとって説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a diagram for explaining the basic concept of the present invention. Here, a driver transistor in the region A in FIG. 1 will be described as an example.
本発明では、従来のダブルパタニングよりさらに微細化を実現する方法として、まず、図6(a)に示すように、従来と異なり、ゲートパタンが一直線に繋がったパタンに基づいてゲート電極25のエッチングを行い、図6(b)に示すように、ゲート電極25がつながったままの状態でポケット注入を行い、ポケット領域26を形成する。さらに、図6(c)に示すように、ゲート電極25がつながったままの状態で、エクステンションの注入を行い、サイドウォールスペーサ(以下、単に「サイドウォール」あるいは「SW」と称する)27を形成し、ソース・ドレイン注入を行ってソース・ドレイン領域(以下、単に「ソース・ドレイン」と称する)28を形成する。最後に、図6(d)に示すように、不純物注入を終えた状態でゲート全体を切断して、ゲート電極を設計された形状に分離する。
In the present invention, as a method for realizing further miniaturization than the conventional double patterning, first, as shown in FIG. 6A, unlike the conventional method, the
この方法では、最後にゲート電極25とサイドウォール27を切断、分離するので、ゲートパタンが除去された部分の基板領域にはもともと不純物の注入はない。したがって、ゲート電極先端部直下での不純物特性が非対称になることはない。その結果、動作特性が安定する。
In this method, since the
また、最後にゲートを切断、分離するので、従来と異なり、サイドウォール27はゲートの長手方向(ゲート幅方向)にのみついており、対向する2つのドライバトランジスタ間(ゲート長方向)には存在しない(図6(d))。したがって、図2に示す活性領域18間の距離"d"を縮めることが可能になり、微細化に貢献することができる。
Further, since the gate is finally cut and separated, unlike the conventional case, the
これらの構成上、作製上の特徴は、図1のセル内のトランスファゲートとロードゲートを形成する際の構成、手法にも当てはまる。 In terms of these configurations, the manufacturing characteristics also apply to the configuration and method for forming the transfer gate and the load gate in the cell of FIG.
図7A〜図7Fは、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程図である。ここでも、図1の領域Aのように、SRAMMのセル境界近傍で隣り合うドライバトランジスタを例にとって説明する。 7A to 7F are manufacturing process diagrams of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. Here, as in the region A of FIG. 1, a description will be given taking as an example a driver transistor adjacent in the vicinity of the SRAMM cell boundary.
まず、図7Aに示すように、シリコン基板上にSTI等の素子分離領(不図示)を形成してSRAMの活性領域を区画し、ウェル注入、チャネル注入、活性化アニール、ゲート酸化膜堆積、ポリシリコン膜を堆積するところまでは、従来どおりの方法で作成する。図1のようなSRAMセルの場合は、1つのセル内に、Pウェル、Nウェル、Pウェルが並ぶようにウェル形成を行う。 First, as shown in FIG. 7A, an element isolation region (not shown) such as STI is formed on a silicon substrate to partition the active region of the SRAM, and well injection, channel injection, activation annealing, gate oxide film deposition, The conventional method is used until the polysilicon film is deposited. In the case of the SRAM cell as shown in FIG. 1, well formation is performed so that a P well, an N well, and a P well are arranged in one cell.
その後、従来なら、図1のようにSRAMのゲートパタンに合わせて点線状に分離されたマスクでゲートのパタニングを行うが、本発明では図7Aのように直線上に繋がったゲート電極25のパタンを作成する。なお、図7Aの例では、上側のゲート電極25は、後工程で切断されてトランスファゲートとなり、下側のゲート電極25は、後工程で切断されてドライバゲートとなる。
Thereafter, conventionally, gate patterning is performed using a mask separated into dotted lines in accordance with the SRAM gate pattern as shown in FIG. 1, but in the present invention, the pattern of the
次に、図7Bに示すように、従来と同じようにポケット注入、エクステンション注入を行い、例えばCVD酸化膜で幅が30nm〜80nmのサイドウォール27を形成し、ソース・ドレイン注入を行って、ソース・ドレイン領域28を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, pocket implantation and extension implantation are performed in the same manner as in the prior art. For example, a
次に、図7Cに示すように、全面にレジスト(不図示)を塗布し、所定の開口21を有するマスク20を用いて、ゲート切断部のみを露光し、エッチングを行う。エッチングは例えば、HBrと酸素を含む混合ガスを用いて、圧力1〜100Pa、周波数13.56MHzでRIEを行う。また、レジストを塗布する前に、エッチングのハードマスクとして、例えばCVD窒化膜を10nm〜40nmの膜厚で堆積してもよい。
Next, as shown in FIG. 7C, a resist (not shown) is applied to the entire surface, and only the gate cut portion is exposed and etched using a
次に、図7Dに示すように、レジストを除去して、所定の形状に切断、分離されたゲート構造を得る。図7Cの工程でハードマスクを用いた場合は、レジスト除去後に、リン酸によりCVD窒化膜を除去する。ここまでで、本発明の基本構造が出来上がる。ただ、引き続いて行うシリサイド工程の条件によっては、切断したゲート端25aからシリサイドが横方向(ゲート幅方向)に侵食することが予想される。その場合は以下に続く工程を行うことによって、ゲート端25aからのシリサイド侵食を押さえることができる。
Next, as shown in FIG. 7D, the resist is removed to obtain a gate structure cut and separated into a predetermined shape. When a hard mask is used in the step of FIG. 7C, the CVD nitride film is removed with phosphoric acid after removing the resist. Thus far, the basic structure of the present invention has been completed. However, depending on the conditions of the subsequent silicide process, the silicide is expected to erode in the lateral direction (gate width direction) from the
すなわち、図7Eに示すように、ゲート電極25の分離後に、CVD酸化膜で幅が5nm〜20nm程度の薄いサイドウォール29を形成する。この薄いサイドウォール29で、切断、分離により露出していたゲート電極25のゲート端25aが覆われる。
That is, as shown in FIG. 7E, after the
最後に、図7Fに示すように、シリサイド処理を行う。NiまたはCoなどのシリサイド金属を膜厚2〜30nmにスパッタし、200℃〜600℃の温度で一次アニールを行い、未反応の金属を酸溶液処理により除去し、次に300℃〜900℃度の二次アニールを行い、NiSiまたはCoSiのシリサイドをゲート電極25とソース・ドレイン28上に形成する。
Finally, as shown in FIG. 7F, silicide processing is performed. A silicide metal such as Ni or Co is sputtered to a film thickness of 2 to 30 nm, primary annealing is performed at a temperature of 200 ° C. to 600 ° C., unreacted metal is removed by acid solution treatment, and then 300 ° C. to 900 ° C. Secondary annealing is performed to form NiSi or CoSi silicide on the
図8および図9は、本発明のゲート構造の変形例を示す図である。図8では、ゲート電極25のみを切断部33で切断して、サイドウォール27は切断せずに連続したままの状態で残す。このような構成は、図7Cの工程で、ゲート切断部のエッチング条件や、サイドウォール27の膜質を制御することによって、実現できる。隣り合うゲート電極25が切断部33で電気的に絶縁されていればトランジスタは適正に動作をするので、このような形態の素子も考えられる。
8 and 9 are diagrams showing modifications of the gate structure of the present invention. In FIG. 8, only the
さらに、図9に示すように、ゲートの横方向にシリサイド拡散を押さえるために、図8の構造の作成後に、薄いサイドウォール29を形成してゲート端面を覆ってから、シリサイド化する。
Further, as shown in FIG. 9, in order to suppress silicide diffusion in the lateral direction of the gate, after the structure shown in FIG. 8 is formed, a
いずれの構成においても、ゲート電極25の側壁に設けられるサイドウォール構成に関して、ゲートの長辺に沿った(ゲート幅方向の)側壁において、ゲートの短辺(ゲート長方向)に沿った側壁よりも厚いサイドウォールを有することになる。
In any configuration, regarding the sidewall configuration provided on the sidewall of the
図10は、本発明の微細化の効果を説明するための図である。ゲート電極をマスクとするポケット注入、エクステンション注入の入り込み量を約10nmと見積もると、図4、5に示す通常のダブパタニングの方法でも、安定したデバイスを作成するには、ゲートエッチング後の突き出し量は、(露光の位置ずれマージン量)+10nmの余裕が必要となる。ところが、本発明によると、ゲート端25aからのポケット注入、エクステンション注入の入り込み量が無いために、同じ性能のデバイスを作成するのにゲートエッチング後の突き出し量を10nm削減できる。
FIG. 10 is a diagram for explaining the effect of miniaturization of the present invention. If the amount of pocket implantation and extension implantation entering the gate electrode as a mask is estimated to be about 10 nm, the amount of protrusion after gate etching can be used to create a stable device even with the usual dub patterning method shown in FIGS. Requires a margin of (exposure misalignment margin) +10 nm. However, according to the present invention, since there is no amount of pocket injection and extension injection from the
本発明の構成を45nmノードのSRAMに応用した場合の効果を見積もる。例えば、ゲートのダブルパタニング法を用いて、セルのX方向760nm、Y方向340nmのセル(面積は0.2584μm2)を作成したとする。ここで、本発明の構成を用いると、図10のa、b、c、dがそれぞれ10nm短縮できることになり、X方向720nm、Y方向340nm、面積は0.2448μm2となり、約5%の面積縮小が可能である。The effect when the configuration of the present invention is applied to a 45 nm node SRAM is estimated. For example, it is assumed that a cell having an X direction of 760 nm and a Y direction of 340 nm (area is 0.2584 μm 2 ) is created by using a gate double patterning method. Here, when the configuration of the present invention is used, a, b, c, and d in FIG. 10 can be reduced by 10 nm, the X direction is 720 nm, the Y direction is 340 nm, the area is 0.2448 μm 2 , and the area is about 5%. Reduction is possible.
この構成を32nmノードのSRAMに応用した場合は、リファレンスX方向530nm、Y方向240nm、面積0.1272μm2の従来構造に対して、X方向490nm、Y方向240nm、面積0.1176μm2となり、約8%の面積縮小が可能となる。If applying this configuration SRAM of 32nm node, reference X-direction 530 nm, Y-direction 240 nm, the conventional structure of the area 0.1272Myuemu 2, X-direction 490 nm, Y-direction 240 nm, the area 0.1176Myuemu 2 becomes about The area can be reduced by 8%.
以上本発明を良好な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されず、当業者にとって、クレームの範囲内で多様な変形、変更が可能である。 Although the present invention has been described based on the preferred embodiments, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made by those skilled in the art within the scope of the claims.
Claims (16)
前記各ゲート電極の側壁に設けられるサイドウォールスペーサと、
を有し、前記サイドウォールスペーサの厚さは、前記ゲート電極の長辺に沿った側壁において、前記ゲート電極の短辺に沿った側壁よりも厚く構成される
ことを特徴とする半導体装置。A plurality of gate electrode patterns disposed on a semiconductor substrate;
A sidewall spacer provided on a sidewall of each gate electrode;
The sidewall spacer is configured such that the sidewall spacer is thicker on the side wall along the longer side of the gate electrode than on the side wall along the shorter side of the gate electrode.
前記ゲート電極の長辺に沿った側壁には、前記第1の膜厚よりも厚い第2の膜厚を有するサイドウォールが設けられる、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。A sidewall having a first film thickness is provided on the sidewall along the short side of the gate electrode,
A sidewall having a second film thickness larger than the first film thickness is provided on the sidewall along the long side of the gate electrode.
The semiconductor device according to claim 1.
前記ゲート電極材料膜を、線状にパタニングし、
前記線状パタンの長辺に沿ってサイドウォールを形成し、
その後に、前記線状のゲート電極材料膜パタンを所定の箇所で切断して、複数のゲート電極に分断する、
工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。A gate electrode material film is formed on a semiconductor substrate,
The gate electrode material film is patterned in a linear shape,
Forming a sidewall along the long side of the linear pattern;
Thereafter, the linear gate electrode material film pattern is cut at a predetermined location to be divided into a plurality of gate electrodes.
The manufacturing method of the semiconductor device characterized by including a process.
をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。A step of forming a source / drain region by implanting impurities into the semiconductor substrate after forming the sidewalls and before dividing into the plurality of gate electrodes;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising:
をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。Forming a pocket region and / or an extension region in a region along the long side of the linear gate electrode material film pattern of the semiconductor substrate before forming the sidewall;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising:
をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。Forming a second side wall that is thinner than the side wall after dividing the gate electrode along the short side and the long side of the divided gate electrode;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising:
をさらに含むことを特徴とする請求項12又は13に記載の半導体装置の製造方法。A step of performing a silicide treatment after forming the second sidewall to form a metal silicide on the divided gate electrode and on the source / drain;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, further comprising:
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